基于功率流控制的機(jī)載座椅娛樂系統(tǒng)無線電能傳輸技術(shù)研究

劉偉

【摘 要】為提高民用飛機(jī)機(jī)載座椅娛樂設(shè)備的可維護(hù)性，便于拆除維護(hù)，降低負(fù)載頻繁起動(dòng)對(duì)飛機(jī)電網(wǎng)的沖擊，本文給出了一種不需要電纜連接的機(jī)載供電技術(shù)為民用飛機(jī)乘客娛樂系統(tǒng)提供電能。該技術(shù)采用移相功率流控制實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸調(diào)節(jié)，并給出了功率關(guān)于移相角的函數(shù)關(guān)系式。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證分析，給出了相關(guān)的試驗(yàn)波形，并將最終的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析結(jié)果做了比較，驗(yàn)證了本文提出的基于功率流控制的無線電能傳輸控制技術(shù)的可行性。

【關(guān)鍵詞】機(jī)載娛樂系統(tǒng)；無線電能傳輸；移相控制；功率流

Research of Wireless Power Transfer Technology Based on Phase-shift Power Flow Control Method for Onboard Seat

Entertainment System

LIU Wei

（Department of Electric System Design Research，SADRI of COMAC，Shanghai 201210，China）

【Abstract】In order to enhance maintainability of onboard seat entertainment equipment and reduce power inrush to the aircraft electrical power network， this paper presents a power supply technology without of wiring connection for civil onboard entertainment system.The phase-shift power flow control method is used for wireless power transfer，And it analyzes the contribution of phase-shifted control in wireless power transfer power flow control by giving the function expression between the system power and the phase-shift angle in detail.Moreover，a practicality experiment and some experimental waveforms are presented.Finally，the result of the experiment is compared with the theoretical analysis to verify feasible of given power flow control solution for wireless power supply.

【Key words】Onboard entertainment system；Wireless power transfer；Phase-shifted control；Power flow

0 引言

民用航空運(yùn)輸?shù)钠占?，促進(jìn)了民機(jī)機(jī)載娛樂系統(tǒng)的發(fā)展，不斷提升乘客的體驗(yàn)舒適度。在運(yùn)營(yíng)過程中，機(jī)載系統(tǒng)的維護(hù)性越來越被航空公司所重視，傳統(tǒng)的乘客座椅娛樂系統(tǒng)采用機(jī)上敷設(shè)線纜與座椅直接相連的供電方式，這種方式勢(shì)必導(dǎo)致飛機(jī)維護(hù)中大量線纜維護(hù)工作量，同時(shí)線纜和連接部件的重量會(huì)大大增加，降低飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和可維護(hù)性。本文基于感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)給出了一種機(jī)載座椅娛樂系統(tǒng)供電的方法，在座椅的底座結(jié)構(gòu)進(jìn)行電能無線提取處理，如圖1所示。相比傳統(tǒng)的接觸式電能傳輸方式，該技術(shù)具有可靠性、安全性高，無需電路連接維護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)完全氣密性、防水易維護(hù)以及可實(shí)現(xiàn)無人化管理等優(yōu)點(diǎn)[1]。

功率流控制在無線電能傳輸系統(tǒng)的研究中是十分重要的一環(huán)。這是由于：在系統(tǒng)的啟動(dòng)階段，減小系統(tǒng)的輸入功率可以有效地減小對(duì)系統(tǒng)的沖擊[2]，機(jī)載娛樂系統(tǒng)的總功率相當(dāng)于機(jī)載單臺(tái)發(fā)電機(jī)容量的十分之一左右，有效降低對(duì)飛機(jī)電網(wǎng)的沖擊，確保飛機(jī)電網(wǎng)供電穩(wěn)定至關(guān)重要；另外，當(dāng)乘客在使用娛樂系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的負(fù)載參數(shù)會(huì)變化時(shí)，可以通過引入閉環(huán)控制，來使系統(tǒng)的輸入功率也作相應(yīng)的變化，從而提高系統(tǒng)的利用率。

本文以移相控制作為功率流控制的方法。通過理論推導(dǎo)，從理論上對(duì)該方法作了分析，在此基礎(chǔ)上將該控制方法運(yùn)用到實(shí)物演示系統(tǒng)中，并通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

大功率無線電能傳輸從原理上可分為電磁感應(yīng)式、微波式和磁共振式兩種。本文所研究的無線電能傳輸是以電磁感應(yīng)方式將原邊電能傳輸至副邊。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2中，先將機(jī)載三相交流電壓經(jīng)整流模塊變換成直流電，再將得到的直流電送入H橋諧振逆變器，以得到高頻的交流信號(hào)。此信號(hào)作為互感線圈的原邊輸入，通過電磁耦合為副邊的負(fù)載提供電能。H橋逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由控制器根據(jù)原邊的狀態(tài)信號(hào)加以控制，以達(dá)到功率流的閉環(huán)控制。

由于經(jīng)H橋輸出的是交流方波信號(hào)，如不經(jīng)過處理直接輸入至互感線圈會(huì)造成大量損耗并且會(huì)使系統(tǒng)的EMI過高，因此在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在原邊和副邊側(cè)都需要加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

在原邊側(cè)串入補(bǔ)償電容C1，使C1與互感線圈在原邊側(cè)的等效電感在基頻處產(chǎn)生串聯(lián)諧振。此時(shí)，原邊電流i為基頻正弦量，從而大大減小了電能在感應(yīng)傳輸過程中的高次諧波。同時(shí)在副邊并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償電容C2。電容C2與互感線圈副邊的等效電感在基頻處產(chǎn)生并聯(lián)諧振，使得最終副邊處得到電壓VL為基頻交流量。

2 移相功率流控制

在通常情況下，如不對(duì)系統(tǒng)加以功率流控制，則控制器只需分別對(duì)H橋中的VT1、VT3與VT2、VT4加以脈寬為50%，相位差180°的驅(qū)動(dòng)信號(hào)即可。此時(shí)，各MOSFET的驅(qū)動(dòng)波形、H橋輸出電壓波形以及原邊電流波形如圖4所示。

其中，原邊電流i由于補(bǔ)償電容C1的作用變?yōu)榛l正弦波?？刂芕T3、VT4的驅(qū)動(dòng)電壓，使其向前移動(dòng)α相角，得到如圖5所示的輸出電壓波形Vo。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述對(duì)移相控制在感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)功率流控制中的研究和分析的正確性，本文將移相控制方法應(yīng)用到一個(gè)感應(yīng)電能傳輸?shù)臉訖C(jī)系統(tǒng)中。通過測(cè)量在不同移相角α下，負(fù)載所獲得的實(shí)際功率，并與（16）式所得的負(fù)載功率理論值進(jìn)行比較，驗(yàn)證理論推導(dǎo)的正確性。

實(shí)物系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)如下：直流電壓Vdc=25V；H橋驅(qū)動(dòng)頻率f=10kHz；原邊電感L1=160μH；副邊電感L2=126μH；互感M=75μH；原邊補(bǔ)償電容C1=2.22μF；副邊補(bǔ)償電容C2=2μF；負(fù)載RL=27Ω；傳輸效率η=88.64%。

當(dāng)移相角α=0 rad（即未移相）時(shí)，所得的實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。

（a）H橋輸出電壓波形

（b）負(fù)載電壓波形

圖6 移相角α=0 rad時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形

Fig.6 The experimental waveforms with phase-shift angle α=0 rad

圖6（a）中，H橋輸出電壓波形與圖3中所描述的一致。圖6（b）的負(fù)載電壓波形也與前面分析的一樣，在補(bǔ)償電容C1、C2的作用下為基頻正弦波。從圖中可以讀出負(fù)載電壓的有效值為：VL=35.4V。因此，負(fù)載功率的實(shí)際值為：

當(dāng)移相角α=0.5π rad時(shí)，所得的實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。

（a）H橋輸出電壓波形

（b）負(fù)載電壓波形

圖7 移相角α=0.5π rad時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形

Fig.7 Experimental waveforms with phase-shift angle

α=0.5π rad

圖7（a）中，H橋輸出電壓波形與圖4中所描述的一致。從圖6（b）中可以看到，此時(shí)負(fù)載電壓的有效值比之前沒有移相時(shí)的情況有了明顯的減小，可以讀出此時(shí)其值為：VL=24.3V。因此，負(fù)載功率的實(shí)際值為：

同理，測(cè)得在不同移相角α下負(fù)載電壓的有效值，并計(jì)算出負(fù)載的實(shí)際功率與理論功率值，如表1所示。

表1 不同移相角α下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

Tab.1 Experimental data with different α

根據(jù)表1所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制負(fù)載功率的實(shí)際測(cè)量值關(guān)于移相角α的關(guān)系曲線，并與由（16）式所得的PL-α曲線相比較。如圖8所示。

圖8 PL-α實(shí)測(cè)曲線與理論曲線的比較

Fig.8 The comparison between the experimental PL-α curve and the theoretical one

從圖8可見，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的PL-α曲線與由（16）式得到的理論曲線基本一致。因此，在實(shí)際應(yīng)用中可以（16）式作為座椅式機(jī)載娛樂系統(tǒng)無線電能傳輸技術(shù)功率流控制的理論依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文通過討論移相控制對(duì)感應(yīng)電能傳輸功率流控制的作用，推導(dǎo)出了系統(tǒng)功率關(guān)于移相角的函數(shù)表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上將本控制方法應(yīng)用到演示系統(tǒng)中，給出了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)波形及實(shí)測(cè)的PL-α曲線與理論計(jì)算曲線的比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：理論分析與實(shí)際實(shí)驗(yàn)趨勢(shì)一致，從而驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性，為機(jī)載娛樂無線電能傳輸技術(shù)提供了一個(gè)切實(shí)可行的方案，為提高民機(jī)機(jī)載娛樂系統(tǒng)可維護(hù)性，限制娛樂系統(tǒng)頻繁起動(dòng)對(duì)飛機(jī)電網(wǎng)的沖擊提供了可行的路徑。

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